特厚煤層復(fù)雜條件下煤巷安全快速掘進(jìn)技術(shù)與實(shí)踐

王 濤，張乾龍，李 根

(皖北煤電集團(tuán)公司崔木煤礦，陜西寶雞 721000)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，巷道的設(shè)計(jì)斷面在不斷地加大，開采深度以及強(qiáng)度在不斷增加，沖擊地壓也在不斷顯現(xiàn)，這就不可避免地對(duì)巷道掘進(jìn)帶來(lái)了施工難度以及安全隱患。崔木煤礦目前開采至22盤區(qū)，回采巷道均布置在煤層中，煤體的單軸抗壓強(qiáng)度僅為11．5 MPa，圍巖條件屬于工程軟巖?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中，由于巷道圍巖應(yīng)力的增加，巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，受沖擊地壓影響，局部高能量釋放的同時(shí)，巷道頂板松散的煤體易發(fā)生冒落，增加了支護(hù)過程中的難度以及危險(xiǎn)性，嚴(yán)重影響巷道的施工質(zhì)量以及進(jìn)度。文中主要針對(duì)崔木煤礦22303風(fēng)巷沿空掘進(jìn)過程中的復(fù)雜條件進(jìn)行論述，在掘進(jìn)循環(huán)中增加了大孔徑卸壓，超前護(hù)頂錨桿以及錨索二次補(bǔ)償支護(hù)的施工流程，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件下煤巷快速安全掘進(jìn)。

1 巷道地質(zhì)條件

22303風(fēng)巷所在的煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組3煤層，埋深680～780 m，最大煤厚為22．2 m，最小煤厚5 m(煤層邊界)，平均厚度16．5 m。22303風(fēng)巷預(yù)留頂(底)煤掘進(jìn)，當(dāng)煤厚大于13 m時(shí)，留設(shè)8～12 m頂煤掘進(jìn)，煤厚小于13 m時(shí)，留設(shè)0．5～1 m底煤掘進(jìn)，頂板為1．6～6．4 m泥巖和中粒砂巖，呈灰白色，成分以石英、長(zhǎng)石為主，含少量暗色礦物，分選差，次棱角狀，夾細(xì)粒砂巖薄層，裂隙較發(fā)育，含鏡煤條帶，巖性較為穩(wěn)定;直接底板為炭質(zhì)泥巖，質(zhì)較純，有滑感，含粉砂巖塊狀層理，含植物根系化石，下部粉砂含量較高，與下伏地層明顯接觸，平均厚度3．2 m，極易風(fēng)化，遇水潮解。

22303風(fēng)巷為矩形斷面(掘?qū)挕辆蚋?=5 200 mm×4 200 mm，錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，配合(長(zhǎng)×寬×厚)=5 000 mm×180 mm×5 mm的“W”鋼帶;錨索規(guī)格為Ф21．6 mm×7 300 mm的1860鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，布置在兩排錨桿之間，配合(長(zhǎng)×寬×厚)=3 400 mm×180 mm×5 mm的“W”鋼帶。巷道在支護(hù)的過程中，圍巖應(yīng)力釋放，“煤炮”聲頻繁，淺部煤體松散、破碎，片幫、冒頂現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)異常困難。

2 巷道安全快速掘進(jìn)技術(shù)

2．1 施工流程

巷道掘進(jìn)采用EBZ-200B型綜掘機(jī)沿煤層施工，掘進(jìn)前方遇破碎煤體時(shí)在開挖前施工超前護(hù)頂錨桿，再進(jìn)行作業(yè)循環(huán)。施工流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)循環(huán)流程圖

2．2 大孔徑超前卸壓鉆孔的應(yīng)用

根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院對(duì)崔木煤礦22盤區(qū)3#煤層及其頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定，崔木煤礦22盤區(qū)3#煤層具有中等沖擊危險(xiǎn)。針對(duì)22303風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭具有沖擊危險(xiǎn)時(shí)采取的大孔徑卸壓，其目的在于通過卸壓手段，使迎頭前方煤體內(nèi)因受構(gòu)造應(yīng)力與側(cè)向支承壓力相互疊加產(chǎn)生的集中彈性能有效釋放。巷道掘進(jìn)迎頭采用大孔徑卸壓方法，以Ф133 mm的大孔徑鉆孔進(jìn)行卸壓，其卸壓參數(shù)及施工示意圖見表1，鉆孔布置如圖2所示。

表1 掘進(jìn)迎頭大孔徑卸壓參數(shù)

圖2 掘進(jìn)迎頭卸壓鉆孔布置圖

根據(jù)22303風(fēng)巷SOS微震監(jiān)測(cè)情況可知，巷道撥門未采取卸壓措施時(shí)，30天內(nèi)共監(jiān)測(cè)到22303風(fēng)巷有效震動(dòng)事件1 303次，其中高能量(1．2E+05)沖擊事件1次;通過在煤巖體應(yīng)力集中區(qū)域?qū)嵤┲睆?33 mm的鉆孔，對(duì)巷道圍巖內(nèi)的集中靜載進(jìn)行卸壓，對(duì)上位頂板傳遞來(lái)的沖擊動(dòng)載起到緩沖吸能的作用，同比進(jìn)行監(jiān)測(cè)，30天內(nèi)監(jiān)測(cè)到有效震動(dòng)事件943次，未發(fā)生一起高能量沖擊事件，保證了掘進(jìn)的安全。

2．3 超前護(hù)頂錨桿

巷道開挖后迎頭頂板及幫部煤塊受能量震動(dòng)的影響，松軟、裂隙較發(fā)育的煤體易發(fā)生片幫冒落事故，導(dǎo)致迎頭無(wú)法及時(shí)支護(hù)，對(duì)巷道成型、施工進(jìn)度以及工程質(zhì)量帶來(lái)了隱患。超前護(hù)頂錨桿支護(hù)技術(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)施工的過程中，不斷總結(jié)出的一種實(shí)用、快速預(yù)支護(hù)技術(shù)。

超前護(hù)頂錨桿即在巷道開挖前，向煤層掘進(jìn)方向的煤體中預(yù)先施工錨桿群，使掘進(jìn)前方無(wú)抗壓能力的煤體的內(nèi)摩擦角迅速地達(dá)到一定的數(shù)值，改善被錨固煤體的力學(xué)性質(zhì)，使松散的煤體形成一個(gè)具有承載能力的整體，使得開挖后前方形成一個(gè)擠壓加固梁，大大減少了冒頂?shù)陌l(fā)生。

超前護(hù)頂錨桿支護(hù)參數(shù):采用 Ф22 mm、L=2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用2支K2350錨固劑端頭錨固，配合150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度托盤，沿工作面頂板，距巷道頂板下300 mm距離，向前上方煤體與巷道腰線呈20°的仰角施工一排錨桿，錨桿間距為0．4 m。巷道的循環(huán)進(jìn)尺為0．8 m，每掘進(jìn)兩個(gè)施工循環(huán)(1 600 mm)施工一次超前護(hù)頂錨桿。超前護(hù)頂錨桿布置如圖3所示。

圖3 超前護(hù)頂錨桿布置圖

2．4 二次補(bǔ)償支護(hù)

基于對(duì)高地應(yīng)力、大變形軟巖巷道圍巖控制原理可知，該巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，一次支護(hù)難以保證圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此，提出錨索二次補(bǔ)償支護(hù)技術(shù)，利用深部穩(wěn)定巖體的自身承載能力，在一次支護(hù)與淺部圍巖相互作用形成一次承載圈的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次錨索支護(hù)，使深部穩(wěn)定的圍巖與一次支護(hù)承載圈共同作用形成復(fù)合承載圈，提高圍巖的自身承載能力。

二次支護(hù)錨索參數(shù):根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，結(jié)合圍巖地質(zhì)特征，確定施工參數(shù)。巷道掘進(jìn)一次支護(hù)完成，應(yīng)力重新分布后，開始施工二次支護(hù)錨索，根據(jù)工程實(shí)踐一般滯后巷道迎頭10～15 m，頂板錨索為Ф21．6 mm，L=8 000 mm的1860鋼絞線(錨固點(diǎn)與原支護(hù)錯(cuò)開)，頂板沿巷道走向布置兩排，間排距1 600 mm×2 400 mm，配合使用5 000mm×180 mm ×5 mm“W”型鋼帶梁，幫部錨索為 Ф21．6 mm，L=5 500 mm的1860鋼絞線，沿巷道走向布置兩排，間排距1 600 mm×1 600 mm，錨索布置錯(cuò)開半個(gè)排距呈“三花”布置。具體參數(shù)如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)展開圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜合實(shí)施大孔徑超前卸壓、超前護(hù)頂錨桿及二次錨索補(bǔ)償支護(hù)技術(shù)后，不僅保證了掘進(jìn)的進(jìn)度及安全，使圍巖得到有效控制，也杜絕了掘進(jìn)期間頂板事故的發(fā)生。每圓班進(jìn)尺由4個(gè)循環(huán)3．2 m，提升至每圓班10個(gè)循環(huán)8 m，月單進(jìn)由96 m提升至240 m。在保障了作業(yè)循環(huán)有序進(jìn)行和作業(yè)人員人身安全的同時(shí)，大大縮短了支護(hù)工作所用的時(shí)間，保證了生產(chǎn)安全;大大提高了掘進(jìn)速度，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著積極的意義，也對(duì)類似地質(zhì)條件下的礦井掘進(jìn)提供了借鑒。